Цементные материалы с добавкой целлюлозы

РЕФЕРАТ. Рассмотрено использование целлюлозы, в том числе нано- и микроцеллюлозы, в рецептуре материалов на основе цемента, в частности, в композиционных материалах строительной отрасли. Материалы на основе целлюлозы представляют собой класс биополимеров, которые могут синтезироваться рас­тениями, бактериями и водорослями. В сочетании с цементосодержащей основой они могут не только повышать механические показатели качества композиционных материалов, но и положительно влиять на их экологичность на всем жизненном пути продукции. В числе основных экологических преимуществ целлюлозных добавок — ​высокая биоразлагаемость, низкая токсичность и минимальные риски для окружающей среды и здоровья людей. Обзор работ последних лет показывает, что включение целлюлозных нановолокон в цементосодержащий композит может увеличивать вязкость матриц, придавать материалу способность удерживать воду, повышать целый ряд его механических характеристик. Отмечается тенденция к увеличению прочности матриц на сжатие и изгиб по сравнению с образцами без таких добавок.

Ключевые слова: цемент, бетон, биоматериалы, наноцеллюлоза, микроцеллюлоза, прочность, деформируемость, водостойкость.

Keywords: cement, concrete, biomaterials, nanocellulose, microcellulose, strength, deformability, water resistance.

Введение

За последние десятилетия значительно активизировался поиск более экологически чистых строительных материалов, при производстве которых меньше выбросы загрязняющих веществ. Одним из факторов производства является негативное антропогенное воздействие на окружающую среду в течение жизненного цикла продукции строительной отрасли. Глобальное потепление вызывает всеобщую мировую озабоченность, с чем связано ужесточение экологического нормирования по выбросам, в частности парниковых газов [1]. Строительство счи­тается одной из самых загрязняющих отраслей в мире [2, 3]. Производство цемента связано с высокими выбросами CO₂, на которые приходится около 8 % его мировых выбросов [4].

Одна из основных сфер применения цемента — производство цемент­ных композитов и различных видов бетона. Бетон можно охарактеризовать как многокомпонент­ный композиционный материал, который широко применятся в строи­тельстве, медицине и других сферах жизнедеятельности человека. Это объясняется большим разно­образием типов бетона, сравнительно низкой стоимостью и простотой производства, каче­ственными характеристиками, среди которых: долговечность, устойчивость к воздействию влаги и др. Вместе с тем бетон — достаточно хрупкий материа­л, имеющий множество внутренних и поверхностных дефектов, со слабым сопротивлением растяжению, изгибу и ударам. При совокупном воздействии нагрузки, температуры, влажности и других факторов бетон склонен к растрес­киванию и разрушению, что серьезно влияет на безопасность бетонных конструкций [5]. Повысить проч­ностные характеристики бетонной смеси поз­воляют различные добавки минерального или растительного происхождения либо их смесь. Однако их применение значительно влияет на конечную стоимость готовой продукции, что снижает масштабируемость конструкций из таких типов бетона. Следовательно, основным вызовом к их широкому распространению является поиск экономически эффективных добавок, которые будут удовлетворять основным современным мировым требованиям: повышению качества и экологичности на всем протяжении жизненного цикла продукции.

Замена синтетических добавок при производстве бетона на биоматериалы или материалы, в состав которых входят продукты растительного происхождения, позволяет снизить суммарный выброс парниковых газов в окружающую среду при сопоставимых или улучшенных характеристиках качества готовой продукции [6—9]. Увеличение использования таких источников, продуктов и процессов на их основе признано ключевой стратегией устойчивого экономического, социального и экологического развития во многих секторах экономики развитых стран [10]. Включение натуральных волокон в структуру цементного композита позво­ляет минимизировать проблему растрескивания, повышает ударную вязкость, прочность на изгиб, изменяет характер разрушения хрупких материа­лов: они становятся более пластичными и стойкими к растрескиванию [11]. Растительные волокна обладают дополнительными преимуществами, такими как распространенность, возобновляе­мость, низкая плотность и высокая механическая прочность [12]. При выборе биоматериала для включения в цикл производства учиты­вают фактор экологичности, т. е. способность к регенерации и ее скорость, а также возможность реассимилироваться с окружаю­щей средой после его использования [13]. Растительное сырье, которое удовлетво­ряет предъявляемым требованиям, перерабатывается с использованием физических, химических, биологических методов или их комбинации.

Известно, что материалы и химикаты био­­­логического происхождения существенно снижают воздействие на окружающую среду по сравнению с их невозобновляемыми аналогами, но требуют бóльших затрат на внед­рение технологии и ее эксплуатацию. Постоян­ные поиск и разработка конкурентоспособных технологий повышают экологичность жизненного цикла строительной продукции и позволяют сократить эмиссию парниковых газов. Это соответствует основным мировым тенденциям по достижению климатической нейтральности. Дополнительное стимулирование развития технологий с применением растительного сырья и их внедрение в современных производствах поз­воляет постепенно повысить коммерческую эффективность такой продукции [10]. 

Один из источников растительного сырья, которое в последние десятилетия тесно связано со строительной отраслью, — целлюлоза, самый распространенный природный полимер на планете. Его доля составляет более 30—40 % всей земной биомассы, а биосинтез целлюлозы — около 1011 т в год. Содержащее ее сырье считается экологичным материалом XXI века, к его основным положительным характеристикам относятся хорошая биоразлагаемость, биосовместимость и высокая доступность. Оно обладает множеством полезных свойств, позволяющих использовать его в широком спектре применений, включая строительство, здравоохранение, биомедицину, пищевую промышленность, производство биополимеров и др.  

Древесное волокно и другие виды растительного целлюлозного волокна в основном состоят из целлюлозы (ее содержание — ​43—65 % масс.). Длина волокна составляет от 10 мкм до нескольких миллиметров. Обыч­но целлюлоза синтезируется растения­ми, но также ее вырабатывают некоторые бактерии, грибы и водоросли [14].

Использование целлюлозы в строительной отрасли вызывает значительный интерес ученых и производителей из-за ее уникальной структуры и физико-химических свойств [10]. У целлюлозных волокон высокие показатели механических свойств при низкой плотности. Например, прочность на разрыв может достигать 700 МПа. Кроме того, такое волокно способно удерживать значительное количество воды. Погло­щающая способность целлюлозы может быть более 300 %. Это позволяет использовать ее в качестве внутреннего отвердителя. В результате ввода целлюлозного волокна в различные цементосодержащие материалы в количе­стве 1—15 % масс. улучшаются ударная вязкость, пластичность, способность к изгибу и трещиностойкость [15, 16].

Использование целлюлозных добавок в составе изделий на основе цемента яв­ляется тенденцией последних лет. Показано, что такие добавки к цементным пастам улучшают механические свойства цементного раствора [17]. Примечательная особенность целлюлозных волокон — гидрофильность, обеспечивающая их адгезию с час­тицами цемента в бетонной смеси. При этом гидратация цемента усиливается за счет нано­фибрилл [18—20].

Вариативными параметрами в комбина­циях цементная основа — ​целлюлозная до­бав­ка и бетонная смесь — ​целлюлозная добавка являются области использования изделий, качество целлюлозных добавок и др.

В последние годы углубились исследования целлюлозного волокна, получаемого из нестандартных видов сырья, примеры которого — кокосовая шелуха, листья мэн­куанга (Pandanus tectorius), текилана агавы, отходы ячменя, томатная кожура, остатки чес­ночной соломы и кукурузных початков, стебли бамбука, хлопок, жом и кожура корня маниоки, сахарная пальма (Arenga pinnata), кукурузная солома и оболочка семян саго [21]. По типу готовой продукции наибольшее распространение нашли микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ), наноцеллюлоза (НЦ), бактериальная целлюлоза (БЦ).

Данный обзор классифицирован двумя подходами: с одной стороны, рассмотрены наи­более перспективные применения целлюлозного волокна для достижения определенных параметров качества и улучшения свойств цемента или бетона, с другой — различные типы целлюлозы и их влияние на композиционный продукт.

Применение целлюлозного волокна в композиции цемента и бетона

Цементосодержащие композиционные ма­териалы, армированные волокнами (при их содержании не более 8 % масс.), находят все большее применение в строительстве зданий и сооружений, создании дорожных покрытий и т. п. [22]. К самому простому способу использования волокон растительного происхождения в качестве добавки можно отнести добавление древесного волокна к цементному раствору. Обычно в состав последнего входят цемент, кварцевый песок и различные добавки. Такой раствор применяют, например, в качестве сайдинга, кровли, подкладочной плиты, подстилающего слоя и в отделке [15]. Например, древесное волокно можно добавлять для облегчения производства плит. Содержащий это волокно композиционный материал обеспечивает такой уровень ударопрочности, который позволяет прибивать некоторые изделия гвоздями, а не фиксировать их через предварительно просверленные отверстия. Данные композиты имеют более низкие показатели водопоглощения и внутренней усадки [23—26].

Биоматериал на основе целлюлозы глубокой переработки можно использовать для решения более сложных задач. Например, после бурения нефтяных скважин проводят цементирование, чем обеспечиваются правильное расположение и удержание на месте обсадной колонны, а также зональная изоляция, предотвращающая миграцию жидкости между подземными пластами. В соответ­ствии с геологическими условиями требуется цемент с различными свойствами, при этом одно из основных его свойств — прочность на сжатие. В работе [27] было установлено, что добавка наноцеллюлозы способствует увеличению этого показателя, что соответ­ствует требованиям потребителей к свой­ствам продукции.

Область применения добавок из целлю­лозосодержащего материала может быть весьма значительна. Основной ограничиваю­щий ее фактор — экономическая конкурентоспособность таких материалов. Это связано с операционными затратами на производство и их влиянием на конечную стоимость готовой продукции. При этом варьирование типа целлюлозного сырья, т. е. степени очистки и размеров волокон, а также их содержания в композите, может оказаться способом, поз­воляющим получить продукцию с заданными характеристиками качества. Так, в работе [28] показано, что за счет добавления более 4 % масс. целлюлозного волокна проч­ность и пластичность цементного композита значительно повышаются. 

Известно также о применении целлюлозного волокна в качестве отверждающего агента в цементирующих материалах. Поскольку целлюлозные волокна обла­дают высокой поглощающей способностью, их можно вводить в гидратирующийся цемент­ный раствор и обеспечивать дополнительную воду для реакций гидратации. В работе [19] установлена общая тенденция к усилению гид­ратации за счет нанофибрилл целлюлозного волокна. Благодаря этому значительно уменьшается усадка (самовысыхание), которая является основной причиной растрескивания и которую трудно уменьшить с помощью традицион­ных методов отверждения. В работе [29] сообщается, что добавление 1,0—1,5 % сухого целлюлозного волокна может снизить усадку на 45—93 %. Добавление целлюлозного волокна также помогает уменьшить растрескивание, вызванное усадкой при высыхании раствора [30].

Волокна растительного происхождения крайне перспективны для использования в композициях с бетоном. Поскольку традиционный бетон склонен к растрескиванию при воздействии растягивающих напряжений, ​принимаются меры для снижения такого растрескивания. Например, усиливают конструкцию стальной или фибровой арматурой. К традиционным материалам последней относятся стальные, стеклянные, синтетические волокна. Однако известно, что бетон может в некоторой степени заживлять трещины самостоятельно. Это явление известно как автогенное самовосстановление бетона. Применение целлюлозных волокон в качестве биоматериала для армирования бетона обладает в данном случае синергетическим эффектом. Такая добавка положительно влия­ет на самовосстановление бетона, вероятно, из-за свойств получаемого композита. К ним относят снижение растрескивания и высокого водопоглощения, повышенную устойчивость к щелочам, замораживанию и оттаиванию [31].

Таким образом, целлюлозный материал добавляется к бетону для повышения проч­ностных свойств, в том числе прочности на изгиб. Соответственно растет долговечность бетона. Также при вводе добавки на основе целлюлозы можно варьировать водо­удержание на требуемом уровне [14, 32, 33].

Добавление целлюлозосодержащего материала в бетонные отходы позволяет получить продукт с более высокими показателями качества и повышает экологичность утилизации отходов. Традиционные методы переработки бетонных отходов, такие как использование в качестве засыпного материала или заполнителя при производстве бетона, достаточно ограничены по объему в современных условиях. По этой причине представляет интерес совместная переработка с целлюлозосодержащими отходами древесного происхождения, которая и положительно влияет на утилизацию, и расширяет возможности получения материалов с новыми свойствами. Вместе с тем бóльшая часть древесных отходов сжигается, и лишь небольшая часть перерабатывается, например, в топливные брикеты или пеллеты. Одним из способов их производства яв­ляется термопрессование. Лигнин в древесине плавится от нагрева, заполняет пустоты и действует как клей. Аналогичным образом предполагается, что лигнин может склеивать бетонные и древесные отходы при их смешивании и в ходе теплового прессования. Было установлено, что добавка древесных отходов японского кедра с частицами менее 0,5 мм в различных соотношениях с бетонными отходами улучшает прочность изделий на изгиб по сравнению с изделиями из обычного бетона [34].

Применение целлюлозного волокна в цементосодержащих композиционных материалах по его типу

В настоящее время наиболее перспективное направление для получения конкурентоспособного композиционного материа­ла на основе цемента с добавкой целлюлозы — это использование наноцеллюлозы (НЦ). Ми­ровое производство последней значительно выросло за последние несколько лет. В 2022 году рынок НЦ оценивался более чем в US$ 430 млн и, по прогнозам, совокупный годовой темп его роста с 2022 по 2028 год составит 24,7 %. На данный момент во всем мире более 150 компаний производятразличные виды НЦ, микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ) и бактериальную целлюлозу (БЦ) [10]. Различают два основных типа НЦ: нанокристаллическую (НКЦ) и нанофибриллированную (НФЦ) [35, 36]. НФЦ намного тоньше, чем НКЦ, поскольку она экстраги­руется из целлюлозных микроволокон, присутствующих в биомассе. Их обычно называют целлюлозными микрофибриллами, нанофиб­риллами или нанофибриллированной целлюлозой. Они в основном состоят из длинных гибких наночастиц/нанофибрилл со взаимозаменяемыми кристаллическими и аморфными доменами [37—39]. 

Нанофибриллы имеют размер от 5—50 нм в ширину и 1—5 мкм в длину. Их кристалличность находится в диапазоне 50—70 %. Такие волокна обладают высокой удельной поверхностью [40]. НЦ обладает гидрофильной природой, что обеспечивает отличное адгезионное взаимодействие с частицами цемента в бетонной смеси. По этой причине НЦ можно применять в цементных композитах для армирования уже при незначительной массовой доле — от 0,02 до 3 %. Большинство используемых нановолокон НФЦ имеют диаметр 10—500 нм, ширину 2—20 нм и дости­гают нескольких микромет­ров в длину.

В последние годы растет число исследовательских публикаций и обзоров, которые посвящены использованию НЦ различных видов в качестве добавок в цементосодержащие материалы. Это свидетель­ствует о прак­тическом интересе к использованию таких добавок для придания изделиям на основе цемента определенных свойств, расширяющих области использования таких изделий. Преимуществами целлюлозных наноматериалов являются широкий спектр функциональных возможностей поверхности и устойчивость в сложных химических средах [14, 41]. Целлюлозные наноматериа­лы могут изменять рео­логию цементного теста [42], влиять на кинетику гидратации и армирование бетона [14, 43]. Известно, что добавление нановолокон целлюлозы (НФЦ и НКЦ) улучшает механические свойства, микроструктуру и стойкость портландцемента [14, 19, 22, 44—46].

Включение НКЦ в состав цементосодержащих материалов оказывает позитивный эффект: наблюдается улучшение ряда свойств композитов НКЦ—​цемент, в частности, проч­ность на изгиб увеличивается на 20—40 %, при этом оптимальная дозировка НКЦ составляет 0,2—0,3 %. Использование НФЦ позволяет повысить проч­ность [17, 47, 48], жесткость [47], ударную вяз­кость [49, 50] и уменьшить пористость материала [17, 48]. Композит ЦНФ—​цемент имеет не только повышенную прочность на изгиб, но и почти в 2 раза больший модуль упругости при изгибе по сравнению с композитами сизаль—​волокно—​цемент [47]. Значительно улучшаются термические, механические и микроструктурные свойства композитов углеродные нановолокна (УНВ) —​ цемент [51]. Композит НКЦ—​цемент также демонстрирует улучшенные реологические свойства [15, 52]. Цементное тесто, в котором содержание НКЦ значительно, обладает более высоким модулем упругости [53].

Хотя включение НЦ в состав цементосодержащих композитов положительно влияет на их свойства, высокая стоимость ее производства ограничивает широкомасштабное применение этой добавки в строительных материалах [54]. Другой сдерживающий фактор — ​технологические особенности про­изводства композиции на основе волокон целлюлозы с глубокой степенью очистки. Эффективность использования данных типов целлюлоз существенно зависит от мер, препятствующих агломерации этих частиц между собой при их использовании в качестве добавки. То есть успешное применение такой целлюлозы в цементосодержащих композиционных материалах зависит от качественного диспергирования целлюлозного сырья [52, 55].

Были исследованы различные технологии диспергирования с целью равномерно распределять волокна МКЦ и НФЦ в цементирующих композитах. Они включали в себя механическое и магнитное перемешивание, обработку ультразвуком и химические методы. Результаты показали, что ультразвуковая обработка наиболее целесообразна для МКЦ и НФЦ [40, 52, 56]. Она считается одним из наиболее широко используемых методов диспергирования наночастиц в цементной матрице [57—60].

Как показывает большинство проведенных исследований, при вводе НФЦ увеличивается степень гидратации, улучшаются реологические свойства, такие как вязкость и предел упругости, а также улучшаются водоудерживающая способность смеси (что указывает на снижение сегрегации и водоотделения) и характеристики усадки цемент­ного композита. Большинство исследований указывают на тенденцию к улучшению механических свойств, таких как прочность на сжатие, прочность на изгиб, механика разрушения и модуль упругости. Например, в работе [61] изучалось влияние добавки НФЦ на прочность, модуль упругости, тепловыделение и усадку бетона. Дозировка добавки варьировалась от 0,4 до 4,5 % массы цемента. В целом тепловыделение и усадка уменьшались при увеличении дозировки добавки. Наибольшее снижение тепловыделения бетона наблюдалось при ее содержании 2 %. Добавление микрофибриллированной целлюлозы (МФЦ) в количестве 0,5 и 1,5 % снижало усадку, а при промежуточном содержании МФЦ в композите (1,0 %) усадка была выше, чем у образцов без добавки. При этом скорость испарения воды из бетона росла с увеличением количества добавки, а модуль упругости снижался при увеличении дозировки МФЦ. В целом при добавлении МФЦ в композит снижались модуль упругости, тепловыделение и усадка. Применение добавки МФЦ в количестве 0,5 % массы цемента рекомендуется в бетонах с повышенной трещиностойкостью в период твердения. Авторы работы [61] утверждают, что при такой дозировке можно повысить класс бетона по прочности на сжатие до С35/45 по ГОСТ 57345—2016/EN 206—1:2013 «Бетон. Основные характеристики». 

Важно, что большое влияние на эти результаты оказывают хорошая дисперсия волокон, однородность матрицы и содержание используемых микрофибрилл. Ультразвуковая обработка, как было описано выше, поз­воляет избежать образования агломератов волокон и не приводит к ухудшению качества композита. 

Сравнение влияния целлюлозных структур на вязкое разрушение реактивного порошкового бетона показало, что при одинаковом содержании добавки (3 % массы цемента) образцы с микроцеллюлозой (МЦ) имели энергию разрушения при раскалывании в 3 раза выше, чем образцы с НЦ [49]. МКЦ более предпочтительна в качестве добавки по сравнению с НКЦ, поскольку помимо уникальных свойств себестоимость производства МКЦ примерно в 15—20 раз ниже, чем НКЦ [62]. Хотя МКЦ сравнительно дороже других видов добавок, при ее применении в низких дозах стоимость цементосодержащего материала возрастает незначительно.

Дозировка МКЦ должна быть оптимально подобрана для достижения желаемого эффекта. Ввод 0,2—0,6 % МКЦ позволяет максимально увеличить механические свой­ства [56]. Стандартный диапазон дозирования МКЦ обычно составляет 0,20—1 % массы цемента [63—65]. В работах [66, 67] показано, что при добавлении МКЦ в количестве 1 % массы цемента увеливаются модуль упругости при изгибе и прочность (на 96 и 19,20 % соответственно), а также прочность на изгиб и сжатие. Увеличение дозировки до 3 % массы бетона не рекомендуется, так как приводит к незначительному снижению прочности на изгиб и модуля упругости [14]. Это снижение связано с увеличением агломераций МКЦ [68].

Композит МКЦ—​цемент можно использовать для производства бетона, чтобы уменьшить термическое растрескивание. Это обеспечивается благодаря меньшему выделению тепла при гидратации. МКЦ можно добавлять в смеси для бетонных покрытий, если требуется, чтобы смесь сохраняла свою форму до полного затвердевания.

БЦ является перспективной альтернативой растительной целлюлозе. Бактерии производят целлюлозу с разной морфологией, структурой, свойствами и выходом [14, 69]. Морфология БЦ зависит от конкретных бактерий и условий их культивирования. В настоя­щее время получение БЦ и возможности ее применения находятся только на начальном этапе развития. Но одним из важных преимуществ БЦ является возможность получения волокна с высокой степенью кристалличности (65—90 %), что делает ее перспективной заменой растительному сырью. Результаты некоторых исследований показывают, что цементные композиты с добавками БЦ имеют превосходные механические характеристики, включая модуль разрыва, прочность внутреннего соединения, вязкость разрушения и др. [41, 70—71].

Заключение

За последние десятилетия растет перспектива масштабного использования наноразмерных материалов в строительных композитах. Путем определенных технологических манипуляций можно изменить нано- и микроструктуру цементных матриц, чтобы модифицировать некоторые свойства материалов. Эти изменения оказывают позитивный эффект на качественные характеристики цементосодержащих материалов, среди которых прочность, деформируемость и теплопроводность.

НЦ и МКЦ растительного и бактериального происхождения — ​однозначно многообещающие материалы для использования в строительных композитах. Материалы на основе целлюлозы представляют собой класс биополимеров, которые могут синтезироваться растениями, бактериями и водорослями и в сочетании с цементосодержащей основой могут повышать не только механические показатели качества, но и положительно влиять на экологичность таких композитов на всем жизненном пути продукции. В числе основных экологических преимуществ целлюлозных добавок — ​высокая биоразлагаемость, низкая токсичность и минимальные риски для окружающей среды и здоровья. Исследования показывают, что включение целлюлозных нановолокон может увеличивать вязкость матриц и обеспечивать способность удерживать воду. Анализируя механические характеристики матриц с включением целлюлозных добавок, отметим тенденцию к увеличению прочности матриц на сжатие и изгиб по сравнению с образцами без таких добавок. Основные критерии, которые отвечают за результат, — ​это разновидность целлюлозосодержащего материала и его содержание в процентах массы цемента. Оптимальная дозировка целлюлозной добавки зависит от целей ввода, ее превышение может приводить к обратным результатам.

Для удовлетворения потенциальных потребностей строительной отрасли в целлюлозных добавках для ввода в композиты на основе вяжущих материалов требуются большие объемы производства таких добавок, стандартизированных по целому ряду показателей качества, включая морфологию час­тиц, их размеры и др. Однако к настоящему времени отсутствуют стандарты, которые бы отражали общие требования, предъявляемые как к этим добавкам, так и к рецептурам композиционных материалов с их участием.

Несмотря на все трудности с формированием общих подходов и идеологии использования целлюлозных добавок, высокую стоимость МЦ и НЦ, целлюлозные добавки существенно улучшают потребительские свойства изделий на основе цемента и способствуют решению целого ряда экологических задач.

ЛИТЕРАТУРА

1. Regulation (EU) 2021/1119 of the European Parliament and of the Council of 30 June 2021 establishing the framework for achieving climate neutrality and amending Regulations (EC) No 401/2009 and (EU) 2018/1999 [Электронный ресурс] https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2021/1119/oj (дата обращения 29.01.2024).

2. Scrivener K.L., John V.M., Gartner E.M. Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry // Cement and Concrete Res. 2018. Vol. 114. P. 2—26. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.03.015.

3. Cao Z., Myers R.J., Lupton R.C., Duan H., et al. The sponge effect and carbon emission mitigation potentials of the global cement cycle // Nature communications, 2020. Vol. 11, N 1. P. 3777. DOI: 10.1038/s41467—020—17583-w.

4. Habert G., Miller S.A., John V.M., Provis J.L., et al. Environmental impacts and decarbonization strategies in the cement and concrete industries // Nat. Rev. Earth. Environ., 2020. Vol. 1. P. 559—573. DOI: 10.1038/s43017—020—0093—3.

5. He Z., Shen A., Lyu Z., Li Y., et al. Effect of wollastonite microfibers as cement replacement on theproperties of cementitious composites: A review // J. of Cleaner Production. 2021. Vol. 283. P. 124665. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119920.

6. Barnat-Hunek D., Szymanska-Chargot M., Jarosz-Hadam M., Łagód G. Effect of cellulose nanofibrils and nanocrystals on physical properties of concrete // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 223. P. 1—11. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.06.145.

7. Nishimura T., Shinonaga Y., Nagaishi C., Imataki R., et al. Effects of powdery cellulose nanofiber addition on the properties of glass ionomer cement // Materials. 2019. Vol. 12, N 19. P. 3077. DOI: 10.3390/ma12193077.

8. Abdellaoui H., Bouhfid R. Review of nanocellulose and nanohydrogel matrices for the development of sustainable future materials. In Sustainable // Nanocellulose and Nanohydrogels from Natural Sources. 2020. P. 155—176. DOI: 10.1016/B 978—0—12—816789—2.00007—9.

9. Barría J.C., Vazquez A., Pereira J., Manzanal D. Effect of bacterial nanocellulose on the fresh and hardened states of oil well cement // J. of Petroleum Science and Engineering. 2021. Vol. 199. DOI: 10.1016/j.petrol.2020.108259.

10. Rajendran N., Runge T., Bergman R.D., Nepal P., et al. Techno-economic analysis and life cycle assessment of cellulose nanocrystals production from wood pulp // Bioresource Tech. 2023. Vol. 377. P. 128955. DOI: 10.1016/j.biortech.2023.128955.

11. Tan T., Santos S.F., Savastano H., Soboyejo W.O. Fracture and resistance-curve behavior in hybrid natural fiber and polypropylene fiber reinforced composites // J. Mater. Sci. 2012. Vol. 47. P. 2864—2874. DOI: 10.1007/s10853—011—6116—1.

12. Nakagaito A.N., Yano H. The effect of morphological changes from pulp fiber towards nano-scale fibrillated cellulose on the mechanical properties of high-strength plant fiber based composites // Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 2004. Vol. 78. P. 547—552. DOI: 10.1007/s00339—003—2453—5.

13. Hoyos C.G., Zuluaga R., Ganan P., Pique T.M., et al. Cellulose nanofibrils extracted from fique fibers as bio-based cement additive // J. of Cleaner Production. 2019. Vol. 235. P. 1540—1548. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.06.292.

14. Felgueiras C., Azoia N.G., Gonçalves C., Gama M., et al. Trends on the cellulose-based textiles: raw materials and technologies // Front. Bioeng. Biotechnol. 2021. Vol. 9. P. 608826. DOI: 10.3389/fbioe.2021.608826.

15. Fu T., Moon R.J., Zavattieri P., Youngblood J., et al. Cellulose nanomaterials as additives for cementitious materials // Cellulose-Reinforced Nanofibre Composites. 2017. P. 455—482. DOI: 10.1016/B 978—0—08—100957—4.00020—6.

16. Ardanuy M., Claramunt J., Filho R.D.T. Cellulosic fiber reinforced cement-based composites: a review of recent research // Constr. Build.Mater., 2015. Vol. 79. P. 115—128. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.01.035.

17. Dai H., Jiao L., Zhu Y., Pi.C. Patent CN 105174768A. Nanometer cellulose fiber reinforced cement-based material. 23.12.2015.

18. Siró I., Plackett D. Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: A review // Cellulose. 2010. Vol. 17. P. 459—494. DOI 10.1007/s10570—010—9405-y.

19. Onuaguluchi O., Panesar D.K., Sain M. Properties of nanofibre reinforced cement composites // Constr. Build. Mater. 2014. Vol. 63. P. 119—124. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.04.072.

20. Nasir M., Aziz M.A., Zubair M., Ashraf N., et al. Engineered cellulose nanocrystals-based cement mortar from office paper waste: Flow, strength, microstructure, and thermal properties // J. Build. Eng. 2022. Vol. 51. P. 104345. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104345.

21. Ventura-Cruz S., Tecante A. Extraction and characterization of cellulose nanofibers from Rose stems (Rosa spp.) // Carbohydrate Polymers. 2019. Vol. 220. P. 53—59. DOI: 10.1016/j.carbpol.2019.05.053.

22. Raghunath S., Hoque M., Foster E.J. On the roles of cellulose nanocrystals in fiber cement: implications for rheology, hydration kinetics, and mechanical properties // ACS Sustainable Chem. Eng. 2023. Vol. 11(29). P. 10727—10736. DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c01392.

23. Thomson S.L., O’Callaghan D.J., Westland J.A., Su B. Method of making a fiber cement board with improved properties and the product. 25.09. 2012. Patent US 8273174 B 2.

24. Weerawarna S.A., Shah H.M. Fiber for fiber cement and resulting product. 29.07.2014. Patent US 8791178 B 2.

25. Weerawarna S.A., O’Callaghan D.J. Internally curing cement based materials. 16.06.2015. Patent US 9056792 B 2.

26. Thomson S.L., O’Callaghan D.J., Westland J.A., Su B. Method of making a fiber cement board with improved properties and the product. September 25.09. 2012. Patent US 8273174 B 2.

27. Shenoy V., Joshi S., Dange M. Effect of Nanocellulose as an additive in cement // Intern. Res. J. of Eng. and Tech. (IRJET) 2017. Vol. 4, N 6. P. 2551—2555.

28. Claramunt J., Ardanuy M., Parés F., Ventura H. Mechanical performance of cement mortar composites reinforced with cellulose fibres // Ninth international conference on Composite Sci. and Tech. Lancaster: DEStech, 2013. P. 477—484.

29. Mezencevova A., Garas V., Nanko H., Kurtis K.E. Influence of thermomechanical pulp fiber compositions on internal curing of cementitious materials // J. Mater. Civ. Eng. 2011. Vol. 24, N 8. P. 970—975. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943—5533.0000446.

30. Kawashima S., Shah S.P. Early-age autogenous and drying shrinkage behavior of cellulose fiber-reinforced cementitious materials // Cem. Concr. Compos. 2011. Vol. 33, N 2. P. 201—208.

31. Singh H., Gupta R. Influence of cellulose fiber addition on self-healing and water permeability of concrete // Case Studies in Construction Mater. 2020. Vol. 12. P. e00324. DOI: 10.1016/j.cscm.2019.e00324.

32. Dai H., Jiao L., Zhu Y., Pi.C. Patent CN 105174768A. Nanometer cellulose fiber reinforced cement-based material. 23.12.2015.

33. Youngblood J.P., Zavattieri P.D., Moon R.J., Weiss W.J., et al. Cellulose nanocrystal additives and improved cementious systems. 17.03.2016. Patent US 20160075601 A1.

34. Liang L., Sakai Y. Experimental study of the bending strength of recycled concrete and wooden waste by heating compaction // Preprint. 2020. DOI: 10.20944/preprints202002.0312.v1.

35. Nechyporchuk O., Belgacem M.N., Bras J. Production of cellulose nanofibrils: A review of recent advances // Ind. Crops Prod. 2016. Vol. 93. P. 2—25. DOI: 10.1016/j.indcrop.2016.02.016.

36. Abitbol T., Rivkin A., Cao Y., Nevo Y., et al. Nanocellulose, a tiny fiber with huge applications // Curr. Opin. Biotechnol. 2016. Vol. 39. P. 76—88. DOI: 10.1016/j.copbio.2016.01.002.

37. Abdul Khalil H.P.S., Bhat A.H., Ireana Yusra A.F. Green composites from sustainable cellulose nanofibrils: A review. // Carbohydrate Polymers. 2012. Vol. 87, N 2. P. 963—979. DOI: 10.1016/j.carbpol.2011.08.078.

38. Guo A., Sun Z., Sathitsuksanoh N., Feng H. A review on the application of nanocellulose in cementitious materials // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, N 12. P. 2476. DOI: 10.3390/nano10122476.

39. Dhali K., Ghasemlou M., Daver F., Cass P., et al. A review of nanocellulose as a new material towards environmental sustainability // Sci. of the Total Environment. 2021. Vol. 775. P. 145871. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.145871.

40. Rocha J.H.A., Farias L. do N., Siqueira T.P.L. Cellulose nanofibers (CNF) as reinforcement for cementitious matrices: a systematic literature review // Revista ALCONPAT. 2022. Vol. 12, N 3. P. 311—327. DOI: 10.21041/ra.v12i3.594.

41. Moon R.J., Martini A., Nairn J., Simonsen J., et al. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites // Chem. Soc. Rev. 2011. Vol. 40, N 7. P. 3941—3994.

42. Montes F., Fu T., Youngblood J.P., Weiss J. Rheological impact of using cellulose nanocrystals (CNC) in cement pastes // Constr. Build. Mater. 2020. Vol. 235. P. 117497. DOI: 10.1016/J.CONBUILDMAT.2019.117497.

43. Guo A., Sun Z., Sathitsuksanoh, N., Feng H. A review on the application of nanocellulose in cementitious materials. // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. P. 2476. DOI: 10.3390/nano10122476.

44. Luo R., Liu H., Duan P., Ye J., et al. Sulfate resistance and microstructure of metakaolingeopolymer reinforced by cellulose nanofiber and wollastonite // J. Build. Eng. 2023. Vol. 64. P. 105580. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.105580.

45. He S., Chai J., Yang Y., Cao J., et al. Effect of nano-reinforcing phase on the early hydration of cement paste: A review // Constr. Build. Mater. 2023. Vol. 367. P. 130147. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.130147.

46. Onuaguluchi O., Banthia N. Sulfate resistance of cement composites containing Nano-Fibrillated Cellulose (NFC) // Cem. Concr. Compos., 2023. Vol. 135. P. 104831. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2022.104831.

47. Ardanuy M., Claramunt J., Arévalo R., Parés F., et al. Nanofibrillated cellulose (NFC) as potential reinforcement for high performance cement moretar composites // BioResources. 2012. Vol. 7, N 3. P. 3883—3894.

48. Nilsson J., Sargenius P. Effect of microfibrillar cellulose on concrete equivalent mortar fresh and hardened properties. Stokholm: Swedish Cement and Concrete Research Institute, 2011.

49. Peters S.J., Rushing T.S., Landis E.N., Cummins T.K. Nanocellulose and microcellulose fibers for concrete // Transp. Res. Rec. 2010. P. 25—28. DOI: 10.3141/2142—04.

50. Ferrara L., Ferreira S.R., Torre M.D., Krelani V., et al. Effect of cellulose nanopulp on autogenous and drying shrinkage of cement based composites // Proc. of NICOM5, Chicago, 2015.

51. Mejdoub R., Hammi H., Suñol J.J., Khitouni M., Stokholm. Nanofibrillated cellulose as nanoreinforcement in portland cement: thermal, mechanical and microstructural properties // J. Compos. Mater. 2016. Vol. 51(17). P. 2491—2503. DOI: 10.1177/0021998316672090.

52. Cao Y., Zavattieri P., Youngblood J., Moon R.J., et al. The influence of cellulose nanocrystal additions on the performance of cement paste // Cem. Concr. Compos. 2015. Vol. 56. P. 73—83. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2014.11.008.

53. Cao Y., Tian N., Bahr D., Zavattieri P.D., et al. The influence of cellulose nanocrystals on the microstructure of cement paste // Cem. Concr. Compos. 2016. Vol. 74. P. 164—173. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2016.09.008.

54. Ioelovich M.J. Microcellulose vs nanocellulose — ​A review // World J. of Advanced Eng. Tech. and Sci. 2022. Vol. 5. P. 1—15. DOI: 10.30574/wjaets.2022.5.2.0037.

55. Oliveira de Souza L., Cordazzo M., Silva de Souza L.M., Tonoli G., et al. Investigation of dispersion methodologies of microcrystalline and nano-fibrillated cellulose on cement pastes // Cem. Concr. Compos. 2022. Vol. 126. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2021.104351.

56. Rathod R.S.B., Sahoo P., Gupta S. Application of micro-crystalline cellulose as additive in Portland cement-based and alkali activated slag-fly ash mortar: Comparison of compressive strength, hydration and shrinkage // Construction and Building Mater. 2023. Vol. 385. P. 131531. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.131531.

57. Sun X., Wu Q., Zhang J., Qing Y., et al. Rheology, curing temperature and mechanical performance of oil well cement: Combined effect of cellulose nanofibers and graphene nano-platelets // Materials & Design. 2017. Vol. 114. P. 92—101. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.10.050.

58. Claramunt J., Ventura H., Filho R.D.T., Ardanuy M. Effect of nanocelluloses on the microstructure and mechanical performance of CAC cementitious matrices // Cement and Concrete Res. 2019. Vol. 119. P. 64—76. DOI: 10.1016/j.cemconres.2019.02.006.

59. Nassiri S., Chen Z., Jian G., Zhong T., et al. Comparison of unique effects of two contrasting types of cellulose nanomaterials on setting time, rheology, and compressive strength of cement paste // Cement and Concrete Composites. 2021. Vol. 123. P. 104201. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2021.104201.

60. Ez-zaki H., Riva L., Bellotto M., Valentini L., et al. Correction to: Influence of cellulose nanofibrils on the rheology, microstructure and strength of alkali activated ground granulated blast-furnace slag: a comparison with ordinary Portland cement // Materials and Structures. 2021. Vol. 54, N 2. P. 24. DOI: 10.1617/s11527—021—01665—2.

61. Barabanshchikov Y., Pham H., Usanova K. Influence of microfibrillated cellulose additive on strength, elastic modulus, heat release, and shrinkage of mortar and concrete // Materials. 2021. Vol. 14, N 22. P. 6933. DOI: 10.3390/ma14226933.

62. Ioelovich M. Green chemistry of micro-and nanoparticles of plant biomass // South Asian Res. J. Natl. Products. 2018. Vol. 1. P. 39477. DOI: 10.9734/SARJNP/2018/39477.

63. Hoyos C.G, Cristia E., Vázquez A. Effect of cellulose microcrystalline particles on properties of cement based composites // Mater. Des. 2013. Vol. 51. P. 810—818. DOI: 10.1016/j.matdes.2013.04.060.

64. Ferreira S.R., Ukrainczyk N., do Carmo e Silva K.D., Silva L.E., et al. Effect of microcrystalline cellulose on geopolymer and Portland cement pastes mechanical performance // Constr. Build. Mater. 2021. Vol. 288. P. 123053. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123053.

65. Lisboa P.S.A., da Silva Machado M., Brandes R., Hentges T.I., et al. The influence of microcrystalline cellulose on cement pastes early hydration modulus of rupture // Mater. Chem. Phys. 2021. Vol. 270. P. 124769. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2021.124769.

66. Parveen S., Rana S., Ferreira S., Filho A., et al. Ultrasonic dispersion of micro crystalline cellulose for developing cementitious composites with excellent strength and stiffness // Ind. Crop. Prod. 2018. Vol. 122. P. 156—165. DOI: 10.1016/j.indcrop.2018.05.060.

67. Parveen S., Rana S., Fangueiro R., Paiva M.C. A novel approach of developing micro crystalline cellulose reinforced cementitious composites with enhanced microstructure and mechanical performance // Cem. Concr. Compos. 2017. Vol. 78. P. 146—161. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2017.01.004.

68. Silva L., Parveen S., Filho A., Zottis A., et al. A facile approach of developing micro crystalline cellulose reinforced cementitious composites with improved microstructure and mechanical performance // Powder Technol. 2018. Vol. 338. P. 654—663. DOI: 10.1016/j.powtec.2018.07.076.

69. Mohammadkazemi F., Doosthoseini K., Ganjian E., Azin M. Manufacturing of bacterial nano-cellulose reinforced fiber — ​cement composites // Constr. Build. Mater. 2015. Vol. 101, N 1. P. 958—964. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.10.093.

70. Klemm D., Heublein B., Fink H-P., Bohn A. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material // Angew. Chem. 2005. Vol. 44, N 22. P. 3358—3393. DOI: 10.1002/anie.200460587.

71. Lee K-Y., Bharadia P., Blaker J.J., Bismarck A. Short sisal fibre reinforced bacterial cellulose polylactide nanocomposites using hairy sisal fibres as reinforcement // Composites, Pt A. 2012. Vol. 43, N 11. P. 2065—2074. DOI: 10.1016/j.compositesa.2012.06.013.

Автор: В.А. Липин, Е.Д. Софронова

Рубрика: Наука и производство

Ключевые слова: цемент, бетон, биоматериалы, наноцеллюлоза, микроцеллюлоза, прочность, деформируемость, водостойкость